Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 1, стр. 29-33

ВВЕДЕНИЕ

В 1926 г. Э.Г. Кеннард опубликовал работу [1], в которой дал соотношение, справедливое для любого люминофора в состоянии термодинамического равновесия. Это соотношение можно записать в следующем виде [2]:

где F(λ_ex, λ_em) – интенсивность люминесценции, наблюдаемой на длине волны λ_em, при возбуждении на длине волны λ_ex; F_B(λ) – спектр излучения абсолютно черного тела на длине волны λ; n(λ) – среднее число частиц на энергетическом уровне по статистике Бозе–Эйнштейна. В пределе kT $ \gg $ hc/λ, (c – скорость света, k – постоянная Больцмана, T – температура люминофора, λ – длина волны) справедливом по меньшей мере при комнатной температуре для видимого света, уравнение (1) можно упростить: где PL(λ, λ₀) – спектр люминесценции (все спектры в данной работе нормированы на число фотонов на единицу длины волны) при возбуждении на длине волны λ₀, PLE(λ, λ₀) – спектр возбуждения люминесценции при наблюдении на длине волны λ₀. Соотношение (2) было теоретически обосновано и обобщено на временную область в [2]. Оно уже было экспериментально проверено на растворах диарилэтиленов [3], которые одновременно могут находиться в нескольких формах в основном состоянии, и коллоидных квантовых точках [2]. В данной работе предложена экспериментальная проверка на водном растворе флуоресцеина.

Такой выбор исследуемого люминофора объясняется следующим. Молекула флуоресцеина содержит в себе три способных к протонированию/депротонированию кислорода. Присоединяя и отсоединяя протон, она, таким образом, может изменять свои люминесцентные свойства. В водном растворе в диапазоне pH от 0 до 9 данное соединение всегда присутствует в нескольких формах [4]. Это катионная, три нейтральные, две анионные и дианионная формы (рис. 1).

В данной работе все нейтральные формы (далее нейтральная форма) рассматриваются как одна форма, так как в растворе они всегда содержатся в одной и той же пропорции вне зависимости от pH, а в спектре поглощения эффективно выступают как одна компонента. В анионной форме можно пренебречь фенолят-анионом (правая молекула аниона на рис. 1), так как в водном растворе он практически не наблюдается. В зависимости от pH раствора, в нем может содержаться в определенной пропорции смесь нескольких форм. При значениях pH, равных отрицательным десятичным логарифмам констант диссоциации pKa для определенных форм, в растворе находятся в почти одинаковых количествах сразу две формы. Так, в работе [5] были получены значения pKa для каждой из форм: 2.22 для катиона, 4.24 для совокупности нейтральных формы, 6.28 для аниона.

Помимо способности к протонированию/депротонированию в зависимости от pH в основном состоянии, молекула флуоресцеина способна переходить в другую форму и в возбужденном состоянии [6]. Дело в том, что в такой молекуле время протолитической реакции для катиона и нейтральной формы много меньше времени жизни возбужденного состояния. Поэтому мы практически не наблюдаем спектр люминесценции чистого катиона и чистой нейтральной формы – в возбужденном состоянии они мгновенно переходят в анион (хотя при очень низких pH равновесие даже в возбужденном состоянии смещено в сторону катионной формы).

Таким образом, ввиду наличия протолитических реакций в молекуле в возбужденном состоянии, раствор флуоресцеина является подходящим объектом для экспериментальной проверки соотношения Кеннарда – оно должно выполняться, каким сложным бы ни был механизм люминесценции.

Чтобы показать нетривиальность полученного результата, в работе также проведена проверка соотношения Кеннарда–Степанова [7], которое, в отличие от соотношения Кеннарда (1), связывает спектры люминесценции PL(λ) со спектрами поглощения ABS(λ):

Соотношение (3) выполняется для люминофоров, в которых все центры люминесценции одинаковы, то есть отсутствует неоднородное уширение, и в возбужденном состоянии быстро по сравнению с временем жизни люминесценции устанавливается тепловое равновесие по уровням энергии. Оно может также выполняться для различных центров люминесценции, если в возбужденном состоянии они могут достаточно быстро переходить друг в друга или обмениваться энергией. В случае флуоресцеина в воде возможно сосуществование различных его форм, которые могут переходить друг в друга в основном и в возбужденном состояниях. Заранее не вполне очевидно, будет ли в этом случае выполняться соотношение Кеннарда–Степанова, в силу чего имеет смысл проверить это экспериментально.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показаны результаты измерений спектров люминесценции и поглощения при нескольких значениях pH растворителя, при которых преобладает та или иная форма. Полученные спектры поглощения демонстрируют следующее поведение образца. При pH 8 в растворе преобладает дианионная форма, для которой характерен спектр поглощения, показанный на рис. 2 кривой 1. При понижении pH до 5.2 оптическая плотность заметно падает и в районе 450 нм появляется слабо выраженный второй пик (рис. 2, кривая 2) – здесь преобладает анионная форма. При pH 3.5 в наибольшем количестве в растворе присутствует нейтральная форма. Ее оптическая плотность является самой низкой по сравнению с другими формами (рис. 2, кривая 3). При значениях pH около 1.5 можно наблюдать спектр поглощения практически чистого катиона (рис. 2, кривая 4). Его оптическая плотность больше, по сравнению с анионной и нейтральной формами.

В то время как спектры поглощения показывают поведение флуоресцеина в основном состоянии, спектры люминесценции могут показать его поведение в возбужденном состоянии. На рисунке видно, что интенсивность люминесценции для различных показателей кислотности меняется (при одинаковых значениях оптической плотности для каждого образца). Известно, что в возбужденном состоянии в флуоресцеине имеют место протолитические реакции [6].

Для того чтобы убедиться в адекватности предлагаемой в литературе схемы протолитических реакций флуоресцеина, был проведен анализ матриц возбуждения/люминесценции по методике PARAFAC. Результаты этого анализа указаны на рис. 3. Здесь можно наблюдать, что для спектра возбуждения люминесценции получено три компоненты в разложении, в то время как для спектра люминесценции всего две. Такое разложение объясняется следующим образом. Из-за слабого π‑π‑сопряжения между ксантеновой частью красителя и бензольным кольцом спектры поглощения и люминесценции различных форм флуоресцеина определяются в основном степенью протонирования ксантеновой части. В этой части красителя имеется два кислорода, к которым может присоединяться протон. С учетом симметрии положения этих групп получается три возможных состояния протонирования ксантеновой части красителя и, соответственно, три различных компоненты в спектре возбуждения люминесценции (сплошные линии на рис. 3). Также, гипотетически, должно быть и три компоненты для спектра люминесценции, но в реальности одна из них, соответствующая полностью протонированной ксантеновой части, при положительных pH почти не проявляется из-за быстрого отщепления протона в возбужденном состоянии. Поэтому в наблюдаемой люминесценции остается только две компоненты (штриховые линии на рис. 3). Таким образом, анализ матриц возбуждения/люминесценции подтвердил предполагаемый в литературе механизм протолитических реакций в возбужденном состоянии.

Результат проверки соотношения Кеннарда (2), и Кеннарда–Степанова (3) показан на рис. 4. Видно, что при значениях pH равных 6.5 и 4 построенные кривые для соотношения Кеннарда–Степанова не удовлетворяют линейному закону, в то время как построенные для соотношения Кеннарда прямые подчиняются линейному закону всегда. Также были посчитаны приблизительные значения для коэффициента наклона этих кривых, который равен –hc/kT. Из этих значений вычислялась температура раствора. Было получено, что для соотношения Кеннарда отклонения для реальных значений (298 K) не превышали 5%, в то время как для соотношения Кеннарда–Степанова отклонения доходили до 18%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Было проведено исследование люминесцентных свойств раствора флуоресцеина при различных значениях pH буферного растворителя и показано, что для такого образца действительно имеют место протолитические реакции в возбужденном состоянии, описанные в литературе. Также показано, что для раствора флуоресцеина в диапазоне pH от 2 до 9 универсальный термодинамический закон Кеннарда всегда выполняется, однако термодинамическое соотношение Кеннарда–Степанова может нарушаться.